微量、痕量和超痕量成分的定量检测、控制是冶金、矿产、地质、材料乃至环境、食品等诸多领域必须解决的问题。以金属材料为例，近年来高铁、航空航天、国防事业的蓬勃发展，对金属材料质量的要求越来越高。随着金属及合金杂质元素控制越来越低，对痕量元素定量分析提出了更高的要求，痕量成分定量检测和分布表征的技术需求更加旺盛。例如飞机发动机用镍基单晶高温合金，目前需要检测控制的元素多达70个，其中大部分元素的检测下限在µg/g以下。另一方面，对痕量成分进行定量检测是为了表征样品的“纯净性”；而这些成分在样品中存在的位置、形态对材料最终性能更为关键，即样品的“均匀性”，对于偏析、夹杂物、缩孔等的定位和控制具有重要意义。 基于如上背景，钢研纳克检测技术股份有限公司承担了科技部2011年国家重大科学仪器设备开发专项 “ICP痕量分析仪器的研制与应用”项目,基于原位统计分布分析的理论，自主开发系列固体直接进样技术，配合高精度定位采集、海量数据实时处理方法，同ICP光谱、ICP质谱联用，实现了大面积样品、不同位置上各元素及其夹杂、偏析的含量、分布、尺寸等信息的定量分析。

随着智能化向冶金行业的不断深入，产线也加快了其各个工序的智能化脚步。加热作为其中间工序，智能化势在必行，而加热炉控制系统又是产线自动化水平较为薄弱的环节，主要体现在以下几个方面： （1）加热炉生产受上游连铸、板坯库库存、下游轧制节奏、生产计划等众多因素影响，装炉基本依靠人工进行调度、核对、定位直至最终入炉。出炉基本采用周期或手动出钢的方式，很难做到依据轧制的节奏，结合即将出炉板坯的温度，自动出钢。 （2）影响加热炉板坯加热质量的因素很多，且各因素互相耦合，是个多变量、非线性很强的系统，控制难度大。而炉内高温、粉尘的气氛环境，没有有效的检测手段来实时测量板坯的温度，使其成为名副其实的“黑箱”。 （3）多年来一直困扰加热炉生产调度、精准控制等的一系列难题，如板坯的加热过程缺乏规划和连续性、加热质量难以保障、随机性强等。换辊或轧机故障时，也不能有效地进行炉温智能控制，无法保证恢复轧制时板坯出钢温度达到要求的同时加热能耗达到最优。 （4）对加热炉能效及加热质量缺乏整体的评估，相关性参数也较为单一，仅仅依靠开轧或轧后温度作为评估的依据，时效性较差且难以满足目前复杂工况、炉况、多规格、高品质生产的需求。 因此，面对产线智能化的需求，针对加热炉的现状，解决控制系统的痛点问题，实现“会思考”的加热炉是目标。加热炉智能化过程控制技术的突破，对推进产线数字化、智能化革新具有重要意义。

炼焦行业是工业污染大户。在焦炉生产过程中，装煤和出焦等环节产生大量有毒含尘废气,并无组织排放到大气中。其中含有固体悬浮物、苯可溶物、苯并芘、H2S、NH3等有害物质,长期接触对人体健康十分有害。这些烟尘主要来自于焦炉连续性、阵发性和事故性三类排放源。 炉头逸散烟尘的特点是，间歇性排放，烟气湿度大，温度高，含有可燃气体和焦油，而且产尘点会在长距离上频繁移动，兼有固定源和移动源的特征。炉头烟尘处理的难点在于: 1、如何高效保证烟尘捕集率 炉头周围设备、构筑物较多，炉头烟尘逸散速度快，如何根据现场情况研发合理的收尘装置是保证烟尘捕集率的关键。 2、除尘系统如何适应焦炉生产工艺特点 出焦和平煤等焦炉生产过程是有规律的间歇性作业，整个焦炉不是所有的炉门都在逸散烟尘，需对炉头烟尘逸散点进行精准控制。研发一套完全适应焦炉生产的炉头除尘软硬件系统是一大难题。 3、如何实现焦炉烟尘处理系统的稳定运行 从以往运行经验看，焦炉烟尘中含有高温挥发出的焦油及未燃烧充分的炭渣火星, 容易粘布袋和烧布袋，严重影响除尘器的稳定运行。 因此。研制出适应于新环保政策要求的的焦炉炉头除尘技术迫在眉睫。

本项目属于节能减排领域。 焦炉炉头除尘关键技术是将焦炉炉头溢散烟尘有组织收集并进行深度除尘净化后达标排放的烟尘治理技术。 我公司通过长期调查研究，自主研发，与有关焦化生产单位紧密沟通，在焦炉炉头烟气收集、除尘控制、高温烟气处理系统等关键技术方面取得突破性成果，填补了国内空白，并进行了推广。 炉头溢散烟尘收集率 ≥95%、系统装置满足净化后出口烟气粉尘排放浓度＜10mg/Nm³、与焦炉同步运行率：100%、综合运行成本≤2元/吨焦炭。 2017年技术应用于宁波钢铁焦化厂机焦侧炉头烟尘治理EPC总承包工程，工程项目顺利通过验收，目前项目运行情况良好。宁钢两座6m焦炉，每年减少向大气排放的粉尘约1000t，烟气中含的苯并芘、焦油等有机物也一同得到治理，杜绝了焦炉生产烟尘无组织排放带来的大气污染，同时极大的改善了焦炉区域作业环境。

对于转炉炼钢领域的过程控制，目前国内大型转炉基本已近实现了基于副枪或烟气分析技术的智能化吹炼，转炉终点命中率得到了革命性的改善，炼钢智能化水平跨上新台阶。 然而作为炼钢关键控制环节的出钢工艺，仍然沿用着依赖操作经验的人工控制模式。出钢时需要操作员时刻关注转炉、钢流及钢包状态，存在着高温、灼烫风险，同时也承受着噪声、粉尘危害，作业环境相对较差，与工业 4.0 时代发展要求显得不相适应。人工操作失误甚至会造成安全生产、质量管控、设备稳定方面的不利影响。 为实现炼钢全过程的智能化控制，降低操作岗位劳动强度，提高炼钢过程控制的稳定性，首钢迁钢公司开发转炉自动出钢控制技术。

连铸是现代钢铁生产核心技术之一。2019 年中国粗钢产量为近 10 亿吨，连铸比高达 98.3%。连铸结晶器是钢液初始凝固的地方，铸坯表面缺陷多发源于钢液初始凝固阶段；钢液初始凝固行为对连铸顺行和钢材产品质量具有重要且深远的影响。然而，结晶器内发生着高温、多相、瞬态变化的凝固传热、钢水流动、保护渣渗入和渣钢反应，加之结晶器本身不透明，使得对结晶器钢液凝固行为有效研究成为国际技术瓶颈。随着我国新一代近终型连铸技术的进一步发展，高拉速条件下铸坯表面质量的调控尤为艰，成为制约新技术发展的瓶颈。因此，结晶器内钢液初始凝固的有效研究及其调控是制约新一代连铸技术发展的关键共性技术难题.

钢铁行业是我国国民经济发展的支柱行业，其能耗占我国工业总能耗的23%以上，但其能源的一次利用率仅在40%左右，在其生产过程中，产生了大量的余热余能，经过几十年的发展，绝大多数的余热余能得到了很好的利用，但高温液态熔渣的显热和低温余热资源至今未得到很好的回收利用，高温液态熔渣是钢铁生产过程中的副产物，其排出温度高达1500℃，蕴含大量高温余热，是目前钢铁行业中唯一未能回收的高温余热资源。2016年中国生铁产量为6.91亿吨，其中高炉渣总量为2.35亿吨，占总熔渣量57%，蕴含总热量约为1419万吨标煤。 北京中冶设备研究设计总院有限公司在高温熔渣干法粒化及余热回收技术取得新进展，完成了转盘法干法粒化与余热回收核心工艺技术、核心装备技术、核心工艺控制技术、工业试验与示范应用等四方面的研究。

高温熔渣从冶炼设备由渣罐运输到渣处理车间，再由行车将渣罐内的高温熔渣倒入高温熔渣储存装置，粒化开始后高温熔渣由储存装置定量稳定地流入粒化与一次余热回收装置的粒化转盘上，通过转盘的高速旋转把渣制成细小的液滴，在离心力的作用下实现一次粒化，一次粒化液滴进而在惯性力的作用下与粒化水冷壁碰撞完成二次粒化，同时高温熔渣在两次粒化过程中与一次冷却风和水冷壁面进行强烈的热交换，使得高温熔渣由1500℃冷却到800℃，一次冷却风由常温加热到600℃，实现了高温熔渣的快速冷却和一次余热回收。

针对上述传统质量检测方法的问题，开发能够实现中厚板表面质量在线检测检测手段势在必行，成为生产中亟待解决的问题、意义重大。 （1）采用基于非接触的 CCD 成像原理，实现在线抓捕高温表面钢板的图像,解决复杂环境下高对比度、高清晰的成像。 （2）开发实时高效的在线检测及在线分析技术。中板厂生产节奏快，快的时候不到 2 分钟一块钢板就轧制完成。所以表面检测系统必须是在生产时快速成像、快速处理图像，在下一块钢板到达矫直机之前快速形成检测结果提供给操作工，需要极快的处理速度 （3）根据中厚板表面复杂的特殊情况，建立高准确度的缺陷识别模型。中厚板水、氧化铁皮等造成表面非常复杂，需开发准确度高的缺陷识别模型，才能实现在线缺陷识别。

本课题立足河钢承钢现有产线，围绕影响直接轧制的主要因素，因地制宜，以解决影响直接轧制的关键问题为切入点，通过理论研究指导技术方案的制定和技术改造的实施，成功开发了棒线材直接轧制负能制造技术，建立了棒线材负能化直接轧制的理论体系，形成具有自主知识产权的专利技术，探索了智能化在直接轧制工艺中的应用，提高了生产效率，大幅降低了生产成本，实现了全流程负能制造。（1）通过研究铸坯拉速与表面温度的关系，建立了数据模型，开发了小半径（R7m）方坯连铸机高拉速生产集成技术，优化冷却模型，确保铸坯切后温度达到1050℃以上，奠定了直接轧制温度基础；（2）建立铸坯直接输送通道，自主开发了全程保温技术、铸坯快速输送技术，确保高温铸坯过程温降低于20℃/min，50s内快速输送至轧机，成功建成了示范产线，轧钢工序能耗降低至10.55kgce/t，降幅达78.6%；全流程工序能耗-13.49kgce/t，实现了全流程负能制造；（3）开发了铸坯头部温度补偿技术，通过智能补温缩小头尾温差，实现了钢材头尾性能差稳定控制在15MPa以内，稳定产品质量；（4）自主开发了智能化出坯直送控制系统、全流程自动跟踪系统，大幅提升棒材产线智能化水平，为新建棒材产线或行业内传统棒材产线的升级改造提供解决方案。项目授权实用新型专利1项；项目受理专利5项，其中发明专利3项、实用新型专利2项；授权软件著作权2项，发表学术论文7篇。 本项目投产至今，累计生产86.5万吨，创效3460万元。 直轧示范线炼钢工序能耗-24.24kgce/t（回收蒸汽和煤气与工序电耗的差值），轧钢工序能耗10.94kgce/t，炼钢-轧钢工序能耗-13.3kgce/t，炼钢-轧制全过程吨钢能耗小于零，实现负能制造。直轧改造前，轧线工序能耗≥41kgce/t，改造后轧钢系统工序能耗为≤10.94kgce/t，能耗降低值≥30kgce/t。累计节约能耗折合3万吨标准煤，按照每吨标准煤排放二氧化碳2.6t、排放二氧化硫8.5kg计算可减排二氧化碳7万吨以上，二氧化硫240吨以上。